Estructuras Hidraulicas Rapidas Y Caidas PDF

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Unid 4 Estructuras Hidráulicas en Canales

IV. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS EN CANALES DE CONDUCCION 4.1 Clasificación Las estructuras que se pueden requerir en los canales de conducción se clasifican de acuerdo a su función: 

Obras de conducción Son obras destinadas a transportar el agua desde una fuente hasta el sitio donde se produce el aprovechamiento de la misma. El canal en sí es una obra de conducción y las estructuras que se requieren para salvar desniveles y seguir conduciendo el agua.  Caídas, Rápidas, Cruce de Vía, Sifón Invertido, Flume.



Obras de regulación y de medición ó Aforo: Obras de regulación, son obras destinadas a regular el caudal o el nivel del agua en un canal.  Regulación de Caudales: Partidores o repartidores, Vertederos, Compuertas  Regulación de Niveles: Barrajes, Vertederos, Compuertas Obras de Medición de caudales:  Vertederos: rectangular / triangular / trapezoidal  Aforadores de profundidad crítica: Aforador tipo Parshall, Venturi, Crump



Obras de protección Las obras de protección tienen por finalidad proteger al canal de efectos externos o internos. Obras de Protección frente a efectos internos:  Transiciones, Pozas de Disipación  Vertedero lateral o Aliviadero de demasías Obras de Protección frente a efectos externos:  Canal techado  Alcantarilla

4.2 Transiciones Cuando se requiere realizar un cambio de sección en un canal es necesario intercalar una estructura en la cual el cambio se realice en forma gradual, a fin de:    

Reducir perdida de energía Minimizar erosión en canales Eliminar ondas transversales y otras turbulencias Suministrar seguridad para la estructura y el curso de agua

Si el cambio en profundidades es muy rápido se produce FRV en forma de ondas estacionarias.

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4.2.1 Tipos de Transición La forma de transición puede variar desde muros en línea recta normales al flujo de agua hasta muy elaboradas estructuras curvas, los muros en línea recta son óptimos para estructuras pequeñas. Las estructuras de transición de un canal trapezoidal a uno rectangular pueden agruparse en tres tipos: a. Transición con curvatura simple b. Transición de forma cuña c. Transiciones con doble curvatura.

Fig 4.2.1 Tipos de Transicion

Fig 4.2.2 Transicion de entrada a desarenador

4.2.2 Diseño de Transición entre canal y canaleta o túnel Longitud de Transición α:

L

T1  T2  2tg 

de acuerdo al U. S. Bureau of Reclamation (USBR), se recomienda que el ángulo máximo, no exceda los 12.5°.

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T1,T 2 : anchos de superficie de agua mayor y menor respectivamente Para disminuir las perdidas conviene no realizar cambios de dirección bruscos y se procura redondear las esquinas.

Pérdidas de energía Las pérdidas que se producen en una transición se debe a la fricción y al cambio de velocidad, la primera es pequeña y la segunda es una función de la diferencia entre las cargas de velocidad.

Transiciones de entrada V 1 < V2 α T1

Caída en la superficie del agua: Δy’

T2

Pérdida por convergencia: hp= Ci Δhv 𝛥ℎ𝑣 =

𝑉 𝑉 = ℎ𝑣 − ℎ𝑣 − 2𝑔 2𝑔

Δy’

Transiciones de salida V 1 > V2 Levantamiento en la superficie del agua: Δy’

α T1

T2

Pérdida por divergencia: hp= Co Δhv 𝛥ℎ𝑣 =

𝑉 𝑉 − 2𝑔 2𝑔

Δy’

Los valores medios de diseño para los coeficientes Ci y C o, se dan en la Tabla 4.2.1

Tabla 4.2.1 – Coeficientes de entrada y salida en transiciones

Tipo de Transición En curva En cuadrante de círculo En línea recta Extremos cuadrados

Ci

Co

0.10 0.15 0.30 0.30+

0.20 0.25 0.50 0.75

Fuente: Hidráulica de Canales de Ven Te Chow

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Las

transiciones

se

pueden ubicar en: Entrada y salida entre canales de diferentes secciones Entrada y salida entre canal y túnel Entrada y salida entre canal y sifón invertido

Fig 4.2.3 Transiciones de entrada y salida

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4.3 Obras de Conducción Caídas y Rápidas Los caídas ó rápidas en el trazo de canales, son necesarios cuando la pendiente del terreno es más pronunciado que la máxima permisible, o hay desniveles naturales en el terreno. El uso de estas estructuras se debe considerar con cuidado ya que se pierde bastante energía. Las caídas: son usadas normalmente en desniveles desde 1m hasta 4.5m. Pueden ser caídas verticales ó caídas inclinadas (Figs. 4.3.1 y 4.3.2), la energía se disipa en pozas amortiguadoras.

Fig. 4.3.1 Caída Vertical

Fig. 4.3.2 Caída Inclinada

Las rápidas: son usadas en desniveles mayores de 4.5m y cuando el desnivel se efectúa en una distancia larga, la disipación de energía se lleva a cabo en la parte inclinada y en la poza amortiguadora. Se puede usar una serie de caídas o una sola rápida la decisión se toma luego de un estudio económico de las alternativas.

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4.3.1 Caídas Partes de una Caída     

Transición de entrada Sección de Control Caída Poza de amortiguación Transición de salida

Fig. 4.3.3 Caída Vertical

Caída Vertical sin Obstáculos La napa de caída libre aireada en un vertedero de caída recta invertirá su curvatura y girará suavemente dentro de un flujo supercrítico sobre la losa. Consecuentemente se puede formar un salto aguas abajo. Basado sobre sus propios datos experimentales y los de Moore, Bakhmeteff y Feodoroff, Rand encontró que la geometría del flujo en vertederos de caída recta, se pueden describir como funciones del número de caída (D), el cual se define como: 3

y  D  c   h yc: tirante critico h: altura de la caída.

Las funciones son:

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Ld = 4.30 D O.37 h

Ld: yp: yl: y2:

y

p

h

y1  0.54 DO.425 h

 1.00 D

0.22

y2  1.66D0.27 h

longitud de la caída, distancia desde el muro de caída a la profundidad yl profundidad del estanque bajo la napa tirante conjugado menor del resalto tirante conjugado mayor del resalto Yc Q

C

h B

y1 y2

yp A Ld

L

Fig. 4.3.4 Caída Vertical

La posición de la profundidad y1 se puede determinar aproximadamente por la línea recta ABC que une al punto A sobre la losa en la posición de y1, el punto B sobre el eje de la napa a la altura de la profundidad del estanque, y el punto C sobre el eje de la napa en la cresta de la caída. El hecho de que estos tres puntos caigan en una línea recta, fue también verificado por experimentos. Para evitar que en la cámara de aire se produzca vacío (succión), se hacen agujeros en las paredes laterales o se incrementa el ancho a ambos lados. Para controlar las filtraciones en la pared vertical se diseñan drenes (lloraderos).

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4.3.2 Rápidas Las rápidas (chutes) son usadas para conducir agua desde una elevación mayor a una más baja, cuando el desnivel se efectúa en una distancia larga.

Partes de una Rápida       

Transición de entrada Sección de Control Canal de la rápida Trayectoria Poza de amortiguación Transición de salida Zona de protección

Consideraciones de Diseño: Coeficiente de rugosidad de Manning Se asumen valores conservadores: para calcular altura de muros en una rápida de concreto n = 0.014 y para el cálculo de niveles de energía n = 0.010

Fig. 4.3.5 Rápida con formación de ondas

Transiciones La parte de la entrada de la estructura transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo inclinado. Se diseña esta estructura para prevenir la formación de ondas. Un cambio brusco de sección sea convergente ó divergente, puede producir ondas que podrían causar perturbaciones, puesto que ellas viajan a través del tramo inclinado y el disipador de energía, el máximo ángulo de deflexión de la superficie de agua en la transición de entrada puede ser aproximadamente 30º.

Sección de Control Sección en el punto donde se inicia la rápida y se regula por dos razones:  Prevenir descenso del nivel del agua y por ende prevenir el incremento de erosión aguas arriba de la sección de control.  Para mantener el nivel del agua, aguas arriba de la sección de control durante flujos bajos. La sección de control puede ser: una sección donde se produzca flujo crítico, un vertedero de cresta ancha sin contracción ó, un vertedero de cresta aguda sin contracción. El ancho de la sección de control es usualmente la misma que la del colchón disipador. La entrada usada deberá ser simétrica respecto al eje de la rápida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rápida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuación de las aguas del canal cuando la operación de la rápida sea suspendida. S. Santos H.

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Si las pérdidas de carga a través de la entrada son pequeñas se pueden despreciar. De otra manera, las pérdidas a través de la entrada deberían ser calculadas y usadas en la determinación del nivel de energía en el inicio del tramo inclinado. Tramo Inclinado ó Canal de la Rápida El tramo inclinado es la sección comprendida entre la sección de control y el principio de la trayectoria, puede ser un tubo o una sección abierta. De acuerdo a la configuración del terreno puede tener una o varias pendientes. La sección usual para una rápida abierta es rectangular, cuando sea necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan dentellones para mantener la estructura dentro de la cimentación. Para calcular los tirantes en los diferentes tramos de la rápida, se puede usar el Método de Tramos Fijos u otros métodos que permitan determinar el perfil de flujo. Para rápidas menores de 9m de longitud, la fricción en la rápida puede ser despreciable. La altura de los muros en el tramo inclinado de sección abierta será igual al máximo tirante calculado en la sección, más un borde libre, ó a 0.4 veces el tirante critico en el tramo inclinado, más el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde libre mínimo recomendado para tramos inclinados de rápidas en canales abiertos (hasta 2.8 m 3/s) es 0.30m. El tirante y el borde libre son medidos perpendicularmente al piso del tramo inclinado. En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen, debido al aire incorporado que está siendo conducido. El borde libre recomendado para los muros resultará de suficiente altura para contener este volumen adicional.

Figura 4.3.6

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Perfil longitudinal de una rápida

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Fig. 4.3.7 Perfiles de una Rápida

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Fig. 4.3.8 Rápida con poza disipadora S. Santos H.

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